Cómo cancelar la luz ambiental para los receptores LIDAR

Introducción

Uno de los desafíos más difíciles del LIDAR de tiempo de vuelo (ToF) es la alta sensibilidad requerida para la cadena receptora. Normalmente, un pulso de láser colisionante (rayos de luz paralelos) se envía a un punto. La ventaja de una fuente láser colimada es que limita la pérdida de luz debido a la difracción y mantiene constante el tamaño del punto a lo largo de la distancia. Sin embargo, cuando la luz golpea un objeto, esa luz rebota en muchas direcciones, esto se llama dispersión. La cantidad de luz reflejada de regreso a la fuente es proporcional a 1/R2, también conocida como la ley del inverso del cuadrado. De cerca, no es tan difícil detectar un objeto. Sin embargo, para detectar objetos a más de 100 metros de distancia, se necesitan altas ganancias para detectar la pequeña cantidad de luz reflejada debido a la pérdida de la ley del inverso del cuadrado. Una de las consecuencias del uso de altas ganancias en el receptor son los efectos en la cadena de señal de luz ambiental. El Sol es una fuente de luz con un amplio espectro de longitudes de onda. Los sistemas LIDAR normalmente seleccionan longitudes de onda de 900 nm y 1550 nm debido a los ceros naturales de la luz solar en estos espectros. Desafortunadamente, para detectar objetos distantes tenemos ganancias significativas en el receptor, y la luz solar ambiental puede saturar el receptor incluso con estos ceros naturales en el espectro. Esto ciega efectivamente el sistema y lo vuelve inútil. Este artículo explorará soluciones sobre cómo mitigar los efectos de la luz ambiental para las cadenas de receptores LIDAR.

Fundamentos

Retrocediendo, se usa un láser para enviar un estrecho pulso de luz; este pulso láser golpea un objetivo y la luz se refleja en el objeto. Se utiliza un detector para medir el tiempo que tardó en volver este reflejo. Al conocer la velocidad de la luz y el tiempo de ida y vuelta del pulso láser, se puede calcular la distancia. En general, cuanto mayor sea la amplitud del láser pulsado, mayor será la señal de retorno. Para LIDAR de largo alcance, la seguridad ocular debido a la potencia del láser limita el alcance de los sistemas modernos. El área bajo la curva dicta la energía del pulso, como se muestra en la Figura 1. Al cambiar a una potencia máxima más alta, el ancho de este pulso debe reducirse para mantener el área bajo la curva por debajo de los límites de seguridad ocular. Por lo tanto, nuestro objetivo es entregar un pulso láser de gran amplitud con un ancho relativamente estrecho. Los sistemas LIDAR actuales tienen un ancho de pulso de 5 ns y progresan a anchos de pulso más cortos. Otro aspecto a considerar para LIDAR es la dispersión. Por lo general, se implementa un detector de fotodiodo de avalancha (APD) para proporcionar ganancia óptica para combatir el problema de la ley del cuadrado inverso. Los APD son beneficiosos para la cadena de señales porque el amplificador de transimpedancia (TIA) es el factor limitante del ruido en la cadena de señales. Al aplicar ganancia en el detector, se reduce el ruido de entrada del sistema referenciado. Tenga en cuenta que existen límites en el APD, donde demasiada ganancia conducirá a un rendimiento sónico más pobre cuando alcance la ruptura.

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Figura 1. Ejemplo de diferentes salidas de láser.

Desafíos LIDAR

Al igual que con cualquier otro problema de ingeniería, existen compensaciones. La cadena de señal de recepción debe tener un ancho de banda lo suficientemente alto para detectar bordes de pulso láser de aproximadamente 5 ns de ancho, y la capacitancia del detector debe ser pequeña para no limitar el ancho de banda TIA. La menor capacidad también ayuda con el sonido de disparo del APD, ya que son proporcionales entre sí. La sensibilidad, el ancho de banda y la potencia deben equilibrarse para las aplicaciones del mundo real. Otro desafío de tener mayores ganancias en la cadena de señal de recepción es el amplio rango dinámico que viene con él. Los APD modernos tienen polarización inversa a casi 300 voltios para lograr estas mayores ganancias. El problema se hace evidente cuando un objeto altamente reflectante está muy cerca del detector. Esta gran señal, combinada con la ganancia relativamente grande del APD, puede generar cientos de mA a través del TIA. La mayoría de los TIA de comunicaciones no están diseñados para sobrevivir a este evento, y mucho menos para recuperarse dentro de un período de tiempo razonable para el siguiente ciclo de pulso. Afortunadamente, los TIA específicos de LIDAR tienen abrazaderas integradas para desviar y recuperar la corriente en 100 ns. La potencia se gestiona según el ciclo de trabajo y los canales que no están en uso se cierran. Con eso en mente, el último gran problema son las fotocorrientes de CC de la luz ambiental, y resolver este problema no es trivial.

Entrada acoplada a CA o acoplada a CC

A primera vista, sería una solución simple combinar las entradas de CA al TIA para bloquear la CC. Desafortunadamente, este enfoque tiene muchas trampas. El tiempo de recuperación de la saturación se verá comprometido, cegando el sistema. En caso de un gran golpe de un objeto cercano, el condensador de CA se cargará. El TIA solo puede inyectar una pequeña cantidad de corriente en la cavidad de CA porque las resistencias de retroalimentación, que van desde 10 kΩ a 100 kΩ, limitan la corriente. Según el valor del condensador, la constante de tiempo RC es muy grande y puede tardar cientos de µs en recuperarse. Esto no es aceptable, porque normalmente se asigna un tiempo de 2 µs para una detección de 100 m, y perderemos la señal de los objetos más distantes. Otro aspecto del acoplamiento de CA al TIA es la tasa de repetición de una fuente láser. Cuando acopla los pulsos de CA, los pulsos se promediarán sobre el límite de CA. La señal detectada es unipolar y cargará lentamente el capacitor de CA. Se producirá una compensación de CC en este capacitor. Esto reduce sistemáticamente el rango lineal del TIA y la compensación de CC variará según la tasa de repetición y la amplitud de la señal de retroalimentación. En el artículo «Cómo diseñar y optimizar de manera eficiente las interfaces TIA de los sistemas LIDAR» se analiza un análisis más detallado de TIA junto con la entrada de CA. Afortunadamente, una entrada acoplada a CC evita todos estos matices y efectos secundarios, pero a costa de una mayor complejidad. Un método eficaz para cancelar esta corriente es incorporar un circuito de bucle cerrado para inyectar una corriente opuesta en la entrada del TIA.

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Circuito de cancelación de CC

La figura 2 muestra el diagrama de bloques de una implementación analógica de circuito cerrado para cancelar las corrientes de entrada de CC. El trabajo del amplificador de error es observar la salida del TIA e inyectar una corriente opuesta en la entrada del TIA. Compara y esclaviza la salida para que coincida con la referencia TIA. Es preferible utilizar la referencia TIA para derivar la referencia del amplificador de error por dos motivos: para hacer coincidir la referencia de salida y garantizar que se conserve el PSRR para el TIA. Para ahorrar energía y costos, se debe usar un amplificador de ancho de banda más bajo para el circuito amplificador de error. Se recomienda un filtro de paso bajo para la entrada del amplificador de error porque no desea que los pulsos rápidos vuelvan a la entrada.

Figura 2. Diagrama de bloques de cancelación DC.

La Figura 3 muestra el circuito de cancelación de CC para el LTC6560. La salida nominal del LTC6560 es de aproximadamente 1 VCC cuando no hay corriente de entrada al TIA. Por lo tanto, se necesita un divisor de resistencia de la referencia para igualar este voltaje, dividiendo los 1,5 V nominales de la referencia para igualar la salida de 1 V. R1 y C1 crean un paso bajo de unos 10,6 kHz; esto ayuda a minimizar la cantidad de ruido inyectado en el LTC6560 desde el amplificador de error. Este paso bajo es el polo dominante de este bucle y se puede ajustar para diferentes requisitos de ancho de banda. Se utiliza un circuito amplificador de error integrado simple para sujetar la salida del LTC6560 a 1 V; tenga en cuenta que el voltaje de salida nominal es de 1 V cuando no hay corriente en el LTC6560. R2, una resistencia de 20 kΩ, es una implementación simple para convertir la salida del LT6015 a corriente. El valor de esta resistencia y el amplificador operacional de oscilación máxima establecerán la corriente máxima en función de la oscilación de salida del LT6015. Dado que no es un amplificador operacional de riel a riel LT6015, la cancelación máxima de CC se limitará a la diferencia entre el oscilador de pico LT6015 y el voltaje de autopolarización de entrada del LTC6560, que es nominalmente de 1,5 V. Esto es aproximadamente 3 V y nos dará una corriente de cancelación de CC máxima de 150 µA.

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Figura 3. Circuito de cancelación de CC para el LTC6560.

Las Figuras 4 y 5 muestran las especies LT® Simulación de circuito de cancelación de CC LTC6560. Tenga en cuenta que V2 se utiliza en la simulación para establecer la referencia del amplificador de error de integración. Esto se utiliza para ayudar a simular el circuito y establecer un voltaje de arranque definitivo.

Este circuito de cancelación de CC también se puede utilizar con el LTC6561. Puede guardar tres LT6015 usando cuatro resistencias de salida para inyectar corriente en cada canal, como se muestra en la Figura 6. Una cosa a tener en cuenta es que ahora estamos creando una ruta que se acoplará. Sin embargo, una resistencia de 40 kΩ tiene un efecto mínimo en el aislamiento de canal a canal. Finalmente, los canales deben ser muy similares en las corrientes de entrada de CC porque el amplificador de error no puede variar significativamente entre los canales. Este circuito beneficiará un sistema en el que todos los canales ópticos estén muy juntos.

Figura 4. Esquema de simulación de LTspice.
Figura 5. Forma de onda de entrada y salida de simulación de cancelación de CC.
Figura 6. Circuito de cancelación de CC para el LTC6561.
Figura 7. Placa de circuito de laboratorio de cancelación de CC LB2953A.

Resultados

Se creó una tabla de prueba de concepto para crear un artículo más sólido y verificar el rendimiento. Esto se muestra en la Figura 7. Como era de esperar, el circuito de cancelación de CC está dominado por elementos parásitos de la placa y los componentes de enrutamiento. El circuito aumenta el ruido integrado de 64 NA rms para el circuito de cancelación sin CC a 66 NA rms para el circuito de cancelación de CC integrado de 100 kHz a 200 MHz. La figura 8 muestra las densidades de ruido de transmisión de entrada medidas con y sin el circuito de cancelación de CC. Los APD se eliminaron de este circuito para obtener el ruido de fondo sin la capacidad de carga del TIA. Esto produjo un ruido integrado de 59 nA rms para el circuito de cancelación sin CC y 60 nA rms para el circuito de cancelación de CC. Sin embargo, el circuito está diseñado para usarse con un detector y la capacitancia debe incluirse en la operación del circuito.

Figura 8. Densidad de ruido referida a la entrada.

Conclusión

El acoplamiento de CA de las entradas LTC6560 y LTC6561 puede causar algunos problemas. En última instancia, hay situaciones limitadas en las que se puede implementar el acoplamiento de CA con un impacto mínimo en el rendimiento del circuito. En los sistemas LIDAR modernos, para optimizar el rendimiento del sistema, el circuito de cancelación de CC propuesto puede proporcionar el máximo rendimiento del tiempo de recuperación sin afectar el ruido del circuito. La compensación por este rendimiento se complica por el diseño y el mayor consumo de energía del amplificador de error de integración.

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